Спосіб вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги бутенка олега григоровича

Реферат: Винахід належить до галузі електровимірювальної техніки та може застосовуватись для вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги. Спосіб вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги із використанням вимірювального приладу включає вимірювання значення напруги кожного з двох близьких по амплітуді та фазі векторів напруги та вимірювання значення напруги вектора різниці зазначених двох векторів напруги. Додатково вимірюють значення кута між кожним з двох векторів напруги та вектором різниці, а значення кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги визначають за певними формулами. Технічним результатом є забезпечення вимірювання кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги при виключенні впливу значення кута зсуву фаз між векторами напруги на значення границі допустимої абсолютної та відносної похибок вимірювання. UA 99133 C2 (12) UA 99133 C2 UA 99133 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до галузі електровимірювальної техніки та може бути застосований для вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги для повірки та визначення метрологічних характеристик масштабних перетворювачів електричної напруги, зокрема, трансформаторів напруги та еталонних трансформаторів напруги. Відомий спосіб вимірювання кута зсуву фаз між напругами із використанням фазометра, що містить рухому частину, виконану із двох жорстко скріплених між собою під кутом 60° рамок, яка закріплена на осях та опорах (Фазометри Д5781, Д5782: Технічний опис та інструкція з експлуатації, 3.393.047 ТО. - 12 c.). При взаємодії струму l1, що протікає по нерухомій котушці, зі струмом І2, що протікає по обмотці рами, створюється обертаючий момент. Причому, кут між площиною рамки та площиною нерухомої частини становить 150°. Кут повороту рухомої частини пристрою дорівнює куту зсуву фаз між напругами, який вимірюється. При цьому, границя допустимої абсолютної похибки фазометра не перевищує: ± 0,5 % від 180° ±0,9°=±54'. Недоліком відомого способу вимірювання кута зсуву фаз між напругами із використанням фазометра є велике значення границі допустимої абсолютної похибки пристрою, що не дозволяє вимірювати кут зсуву фаз між напругами, значення якого вимірюють кутовими хвилинами. При цьому, відносну похибку результату вимірювання кута зсуву фаз визначають як відношення абсолютної похибки результату вимірювання кута зсуву фаз до значення вимірюваного кута зсуву фаз, у відсотках (%). Отже, недоліком вимірювання кута зсуву фаз між напругами при використанні фазометра, якщо значення вимірювального кута зсуву фаз менше ніж 54', є те, що значення відносної похибки результату вимірювання кута зсуву фаз перевищує 100 %. Відомий спосіб вимірювання кута зсуву фаз між напругами із використанням вимірювача різниці фаз, в якому на два входи пристрою подають вхідні напруги u 1 та u2 (Вимірювач різниці фаз Ф 2-16: Технічний опис та інструкція з експлуатації, 1997 р. - 124 с.). При цьому, напруга u1 є опорною. За допомогою формуючих пристроїв вхідні напруги u 1 та u2 перетворюють в напруги прямокутної форми з крутими фронтами. При цьому, зсув фаз зазначених напруг прямокутної форми на виходах формуючих пристроїв дорівнює зсуву фаз вхідних напруг u1 та u2. При цьому, границя допустимої абсолютної похибки вимірювача різниці фаз не перевищує: ±(0,2+0,004 x )° ±0,2°=±12', де: - різниця фаз, що вимірюється, в кутових градусах. Недоліком відомого способу вимірювання кута зсуву фаз між напругами із використанням вимірювача різниці фаз є велике значення границі допустимої абсолютної похибки пристрою, що не дозволяє вимірювати кут зсуву фаз між напругами, значення якого виміряють кутовими хвилинами. Причому, при вимірюванні кута зсуву фаз між напругами із застосуванням вимірювача різниці фаз, зокрема Ф 2-16, при значенні вимірюваного кута зсуву фаз менше ніж 12', значення відносної похибки результату вимірювання кута зсуву фаз перевищує 100 %. Найбільш близьким до способу вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги, що заявляється, є спосіб вимірювання кута зсуву фаз між напругами із використанням компаратора, що включає вимірювання значення вторинної напруги пристрою, що повіряється, і вторинної напруги еталонного пристрою, вимірювання різниці зазначених вторинних напруг та вимірювання різниці фаз між вторинними напругами (Компаратор СА507: Керівництво з експлуатації ААЕЛ.411439.001 РЕ/ Київ, ДНПП «Спецавтоматика», 2006. - 56 с.). Причому, для вимірювання різниці фаз між вторинною напругою пристрою, що повіряється, та вторинною напругою еталонного пристрою на вхід X компаратора подають напругу U , що є різницею зазначених вторинної напруги U2x пристрою, що повіряється, та вторинної напруги U2e еталонного пристрою, а на вхід А компаратора подають вторинну напругу еталонного пристрою U2e . Вимірювання різниці фаз виконують у два етапи. За допомогою компаратора визначають різницю фаз між вторинними напругами пристрою, що повіряється, та еталонного пристрою за формулою: arctg(im(U2e U) / re(U2e U)) arctg(im(U2e ) / re(U2e )) , де: U x 35 40 45 50 55 U2x - вторинна напруга пристрою, що повіряється; U2e - вторинна напруга еталонного пристрою; U - різниця вторинних напруг U2x та U2e . При цьому, границя допустимої абсолютної похибки при вимірюванні різниці фаз би не перевищує: 1 UA 99133 C2 (0,05 0,7x fUВИМ / fU max UВИМ 0,005 x UВИМ )' 0,05' , де: - числове значення різниці фаз вторинної напруги пристрою, в кутових хвилинах; fUВИМ - числове значення відносної різниці вторинних напруг пристрою, що повіряється, та 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 еталонного пристрою, в процентах. - числове значення верхньої границі діапазону вимірювання відносної різниці fU max вторинних напруг пристрою, що повіряється, та еталонного пристрою, яка становить 15 %. Відомий спосіб вимірювання кута зсуву фаз між напругами дозволяє вимірювати кут зсуву фаз між напругами, значення якого вимірюють сотнями, десятками та одиницями кутових хвилин. Недоліком відомого способу вимірювання кута зсуву фаз між напругами є неможливість проведення вимірювання значення кута зсуву фаз між напругами, значення якого вимірюють десятими та сотими кутових хвилин. Причому, при вимірюванні кута зсуву фаз між напругами із застосуванням компаратора, зокрема компаратора СА 507, при значенні вимірюваного кута зсуву фаз менше ніж 0,05', значення відносної похибки результату вимірювання кута зсуву фаз перевищує 100 %. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги, в якому за рахунок запропонованої послідовності визначення значення кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги забезпечується виключення впливу значення малого кута зсуву фаз між векторами напруги на значення границі допустимої абсолютної та відносної похибок вимірювання. Причому, запропонований спосіб дозволяє визначити значення малого кута зсуву фаз між двома векторами напруги з необхідною границею допустимої відносної похибки вимірювання, що значно менша ніж у вимірювального приладу, що використовується. Поставлена задача вирішується запропонованим способом вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги із використанням вимірювального приладу, що включає вимірювання значення напруги кожного з двох близьких по амплітуді і фазі векторів напруги та вимірювання значення напруги вектора різниці двох векторів напруги, в якому додатково вимірюють значення кута між кожним з двох векторів напруги та вектором різниці, а значення кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги визначають за формулами: A c arcsin(( Ux sinc ) / U1) ; A b arcsin(( Ux sinb) / U2 ) , де U1 - значення напруги першого вектора напруги UAB ; U2 - значення напруги другого вектора напруги UAC ; U - значення напруги вектора різниці UBC першого UAB та другого векторів напруги; b - значення кута між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - значення кута між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги; A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b ; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута c . Краще, коли значення малого кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги визначають за формулою: a ( A c A b ) / 2 , де: a - значення малого кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги; b - значення кута між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - значення кута між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги; A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, 2 UA 99133 C2 визначене з використанням значення кута с. При цьому, додатково вимірюють значення великого кута зсуву фаз між вектором різниці UBC та кожним з двох векторів напруги UAB та UAC . Вимірювання значення напруги двох векторів напруги UAB і UAC та значення напруги 5 10 15 20 25 30 35 40 вектора їх різниці UBC із використанням вимірювального приладу, зокрема, вольтметра, забезпечує можливість визначення вказаних значень з похибкою, що не перевищує границі допустимої похибки вимірювального приладу. Вимірювання значення кутів b і c між кожним з векторів напруги UAB і UAC та вектором їх різниці UBC відповідно за допомогою вимірювального приладу, зокрема, фазометра, забезпечує можливість визначення значень вказаних кутів з похибкою, що не перевищує границі допустимої похибки вимірювального приладу. Визначення значення кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги відповідно до запропонованих формул забезпечує можливість визначення значення кута зсуву фаз між близькими по амплітуді та фазі векторами напруги UAB і UAC з необхідною границею допустимої відносної похибки вимірювання, що значно менша ніж у вимірювального приладу, який використовується, наприклад, у фазометра. Визначення значення малого кута зсуву фаз як середнє арифметичне між значеннями кута зсуву фаз між векторами напруги UAB і UAC , що визначені з використанням значення кутів b і c відповідно, забезпечує зменшення похибки результату вимірювання. Таким чином, запропонована послідовність вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги UAB і UAC дозволяє виключити вплив значення малого кута зсуву фаз а між векторами напруги UAB і UAC на значення границі допустимої похибки вимірювання. Крім того, забезпечується можливість вимірювання малого кута зсуву фаз а між векторами напруги UAB і UAC , що є близькими по амплітуді та фазі. Запропонований винахід пояснюється кресленням, на якому зображена діаграма векторів напруги, де: U1 - перший вектор напруги UAB ; U2 - другий вектор напруги UAC ; U - вектор різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги; a - малий кут зсуву фаз між першим вектором напруги UAB та другим вектором напруги UAC ; b - кут між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - кут між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги. Запропонований спосіб здійснюють наступним чином. Вимірюють значення напруги U1 першого вектора напруги UAB та значення напруги U2 другого вектора напруги UAC за допомогою вольтметра. Після чого вимірюють значення напруги U вектора різниці UBC , що дорівнює різниці першого вектора напруги UAB та другого вектора напруги UAC за допомогою мілівольтметра. Далі вимірюють значення кута b між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги. Вимірюють значення кута с між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги. Далі визначають значення кута зсуву фаз A c та A b між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги UAB та UAC за формулами: Ac 45 50 arcsin(( Ux sin c ) / U1 ; Ab arcsin(( Ux sinb) / U2 , де A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b ; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута с; U1 - значення напруги першого вектора напруги UAB ; 3 UA 99133 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 U2 - значення напруги другого вектора напруги UAC ; U - значення напруги вектора різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги; b - значення кута між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - значення кута між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги. Після цього визначають значення малого кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги визначають за формулою: a ( A c A b ) / 2 , де: A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b ; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута c . Запропонований винахід пояснюється прикладом. Приклад. Було проведено визначення кута зсуву фаз між двома векторами напруги при наступних умовах: - U1 = 100,847 В - значення напруги першого вектора напруги UAB ; - Ад = 0,001° = 0,06' - дійсне значення малого кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги; - b = 135,548°=8132,88 - значення кута зсуву фаз між першим UAB вектором напруги та вектором UBC різниці першого UAB та другого UAC векторів напруги; - c = 44,451°=2667,06 - значення кута зсуву фаз між другим UAC вектором напруги та вектором різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги. Тоді U2 = 100,84879415449753 В - значення напруги другого вектора напруги UAC; U = 0,00251337231642566 В = 2,51337231642566 мВ - значення напруги вектора різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги, UBC = UAB - UAC Результати вимірювання значення напруги U1 першого вектора напруги UAB та значення напруги U2 другого вектора напруги UAC за допомогою серійного вольтметру класу точності 0,1 наступні: U1 = 100,8 В - значення напруги першого вектора наруги UAB ; U2 = 100,8 В - значення напруги другого вектора напруги UAC ; U = 2,513 мВ = 0,002513 В - значення напруги вектора різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги. Результати вимірювання значення кута b між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги та вимірювання значення кута с між другим вектором напруги UAC вектором різниці UBC першого UAB та другого UAC векторів напруги за допомогою серійного вимірювача різниці фаз Ф 2-16, границя допустимої абсолютної похибки яких не перевищує ± 0,2°, наступні: - b = 135,5°; - c = 44,4°. Значення кута зсуву фаз A c та A b між векторами напруг UAB та UAC визначено за формулами: A b arcsin(( Ux sinb) / U2 =arcsin ((0,002513 x sin135,5)/100,8) = 0,00100119°. Абсолютна похибка визначення A b : A b Aд А b =- 0,00000119° = - 0,0000714'. A b / А д = - 0,000071470,06' = -0,00119 = -0,119 %. Відносна похибка визначення A b : A b A b arcsin(( Ux sinb) / U1 = arcsin ((0,002513 x sin 44,4)/100,8) = 0,00099941°. Абсолютна похибка визначення A c : A c A д А c =0,00000059° =0,0000354'. Відносна похибка визначення A c : A c 50 A c / А д = 0,000035470,06' =0,00059=0,059 %. Значення малого кута зсуву а фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги 4 UA 99133 C2 5 визначають за формулою: a (Ac Ab ) / 2 . Вимірюване значення малого кута зсуву фаз а між першим UAB та другим UAC векторами напруги визначено за формулою: a ( A c A b ) / 2 = (0,00099941+0,00100119) / 2 = 0,0010003°. Абсолютна похибка визначення малого кута зсуву a : a A д a = 0,0000003°= 0,000018'. Відносна похибка визначення малого кута a : а = a / A д = - 0,000018/0,06' = 0,0003'= 0,03 %. 10 15 20 Отже, визначене значення малого кута зсуву фаз а між двома векторами напруги UAB та UAC дорівнює - 0,0010003° та відповідає дійсному значенню 0,001° з абсолютною похибкою 0,0000003° = - 0,000018' та відносною похибкою -0,0003'= -0,03 %. Таким чином, запропонований спосіб вимірювання кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги дозволяє виключити вплив значення малого кута зсуву фаз між векторами напруги на значення границі допустимої абсолютної та відносної похибок вимірювання. При цьому, запропонований спосіб дозволяє визначити значення малого кута зсуву фаз між двома векторами напруги з необхідною границею допустимої похибки вимірювання, яка значно менша, ніж у вимірювального приладу, що використовується, зокрема, фазометра. Крім того, на визначення значення кута зсуву фаз між близькими по амплітуді та фазі векторами напруги не впливає значення границі допустимої похибки вимірювального приладу, зокрема, фазометра, а вимірювання проводять для будь-якого малого кута зсуву фаз. Це приводить до прискорення процесу вимірювання при підвищеній ефективності та темності вимірювання. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 1. Спосіб вимірювання кута зсуву фаз між векторами напруги із використанням вимірювального приладу, що включає вимірювання значення напруги кожного з двох близьких по амплітуді і фазі векторів напруги та вимірювання значення напруги вектора різниці зазначених двох векторів напруги, який відрізняється тим, що додатково вимірюють значення кута між кожним з двох векторів напруги та вектором різниці, а значення кута зсуву фаз між двома близькими по амплітуді та фазі векторами напруги визначають за формулами: A c arcsin(( U sinc ) / U1) ; 35 40 45 50 A b arcsin(( U sinb) / U2 ) , де U1 - значення напруги першого вектора напруги UAB ; U2 - значення напруги другого вектора напруги UAC ; U - значення напруги вектора різниці UBC першого UAB та другого векторів напруги; b - значення кута між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - значення кута між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги; A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b ; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута c . 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково визначають значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги за формулою: a ( A c A b ) / 2 , де: a - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги; b - значення кута між першим вектором напруги UAB та вектором різниці UBC двох векторів напруги; c - значення кута між другим вектором напруги UAC та вектором різниці UBC двох векторів напруги; 5 UA 99133 C2 5 A b - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC векторами напруги, визначене з використанням значення кута b ; A c - значення кута зсуву фаз між першим UAB та другим UAC вектораминапруги, визначене з використанням значення кута c . 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково вимірюють значення кута зсуву фаз між вектором різниці UBC та кожним з двох векторів напруги UAB та UAC . Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6